上下并行礦山法隧道施工相互影響研究

趙耀ZHAO Yao

（江蘇中車城市發(fā)展有限公司，無(wú)錫 214104）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民群眾的出行需求日益增長(zhǎng)，各個(gè)城市加快推進(jìn)綜合交通建設(shè)，一批集鐵路、軌道交通、公路等綜合性車站建設(shè)而成。各綜合性站點(diǎn)建設(shè)過(guò)程中，不可避免地要遇到相鄰線路的近距離施工，其中尤以近距離隧道并行施工居多，帶來(lái)了很多施工難題。對(duì)于隧道并行施工，很多專家學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究，并取得了許多可以借鑒的成果，如：文獻(xiàn)[1]指出如果新建隧道處于硬巖中，新建隧道開(kāi)挖爆破產(chǎn)生的地震波會(huì)危及既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定，既有隧道襯砌迎爆側(cè)邊墻所受到的影響最為顯著；文獻(xiàn)[2]指出既有隧道最大振動(dòng)點(diǎn)及最大反射拉應(yīng)力均出現(xiàn)在迎爆側(cè)直墻中部和上部，此區(qū)以反射拉伸破壞為主，是最危險(xiǎn)的區(qū)域，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在迎爆側(cè)底板，此區(qū)有剪切破壞的可能，拱頂?shù)募魬?yīng)力也較大。前人的研究成果對(duì)工程建設(shè)很有指導(dǎo)意義，并行隧道施工中，必須關(guān)注爆破對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響，本文通過(guò)對(duì)羊頭山隧道和下北山隧道的施工時(shí)序進(jìn)行探討，采取了一系列施工措施，對(duì)并行礦山法隧道施工中相關(guān)影響進(jìn)行了研究。

1 工程概況

臺(tái)州市域鐵路S1 線一期羊頭山隧道位于臺(tái)州市椒江區(qū)建庫(kù)村，隧道起訖里程：S1DK1+726.0～S1DK2+580.0，全長(zhǎng)854m，其中單洞雙線長(zhǎng)674m，雙洞單線長(zhǎng)180m，均采用礦山法開(kāi)挖，單洞雙線開(kāi)挖面積約170m2，雙洞單線每個(gè)洞開(kāi)挖面積約57.6m2，單洞雙線到雙洞單線采用燕尾段過(guò)渡。羊頭山隧道屬剝蝕丘陵區(qū)，自然丘坡15°～30°。地面起伏大，地表植被發(fā)育。隧道沿線有高壓鐵塔兩座，隧道進(jìn)口（S1DK1+726.0～S1DK1+745.0）附近有墓群、農(nóng)田、池塘，用地紅線范圍內(nèi)多處墳地。隧道出口西側(cè)為下北山村。羊頭山隧道線路西側(cè)有待建杭紹臺(tái)鐵路下北山隧道，1#隧道長(zhǎng)165.58m、2#隧道長(zhǎng)429.772m，并行位置對(duì)應(yīng)S1 線里程DK1+760-DK1+925.58、DK2+015-DK2+444.772。兩隧道在羊頭山隧道入口處間距最小，最小水平凈距12.45m，豎直凈距2.46m，最小凈距16.57m，往大里程段水平間距和垂直距離不斷增加，兩隧道出口段水平間距約30m，垂直距離約14.3m。兩隧道交疊施工，存在相互影響。

羊頭山隧道待開(kāi)挖巖石為凝灰?guī)r，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，隧道圍巖級(jí)別為Ⅱ～Ⅴ級(jí)；隧道明挖段及洞身巖石普氏硬度系數(shù)約f=2～9。根據(jù)地勘報(bào)告提供的各類巖組的物理力學(xué)參數(shù)、巖體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征及各項(xiàng)定性、定量成果資料分析，隧道圍巖分級(jí)級(jí)施工方法見(jiàn)表1、表2。

表1 羊頭山隧道圍巖分級(jí)表

表2 羊頭山隧道施工方法一覽表

因?yàn)楹冀B臺(tái)下北山隧道屬于單洞四線高鐵隧道，最高行車速度350 公里每小時(shí)，該隧道相比普通隧道開(kāi)挖斷面更大，達(dá)到356m2，這也是國(guó)內(nèi)開(kāi)挖斷面最大的高鐵隧道，由于下北山隧道所處區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，面臨斷面大、圍巖整體較差，埋深較淺，最小埋深不足3m 等情況，整體施工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高。因?yàn)镾1 線羊頭山隧道位于杭紹臺(tái)鐵路下北山隧道斜下方，且兩條隧道全部采用爆破施工，且屬于同一時(shí)間段施工，相關(guān)干擾大，尤其是羊頭山隧道對(duì)斜上方的大洞隧道影響更為明顯。本文通過(guò)對(duì)羊頭山隧道施工過(guò)程進(jìn)行分析，對(duì)并行隧道施工順序進(jìn)行有益探討。

2 兩條隧道實(shí)施總體策劃

考慮到兩條礦山法隧道并行施工，為了最大限度地減少相互間施工影響，保證兩條隧道的施工安全，宜先下后上，即羊頭山隧道施工在前，下北山隧道施工在后。

羊頭山隧道由小里程進(jìn)洞，由北向南單向施工。

下北山隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，V 級(jí)圍巖采用8 部開(kāi)挖法，平均開(kāi)挖初支工效50m/月，計(jì)劃開(kāi)挖初支工期2019年1 月到2020 年1 月，先施工2#隧道，由北向南單向施工，2#隧道開(kāi)挖完成后，再由南向北施工1#隧道。

圖1 羊頭山隧道與下北山隧道相對(duì)位置關(guān)系圖

杭紹臺(tái)鐵路下北山2#隧道起點(diǎn)位于S1 線羊頭山隧道前面約270m，且下北山2#隧道比羊頭山隧道早開(kāi)工，但是羊頭山隧道的開(kāi)挖初支工效比下北山隧道高，所以隧道開(kāi)挖最終會(huì)趕上并且超過(guò)下北山隧道。下北山2#隧道施工二襯前，羊頭山隧道掌子面必須要超過(guò)下北山2#隧道進(jìn)口。

為避免杭紹臺(tái)鐵路下北山1#隧道與S1 線羊頭山隧道相向施工，保證施工安全和質(zhì)量，待S1 線隧道二襯超過(guò)杭紹臺(tái)鐵路1#隧道后，杭紹臺(tái)鐵路1#隧道再進(jìn)洞施工。

3 羊頭山隧道施工工藝

羊頭山隧道的開(kāi)挖方法分為全斷面法、臺(tái)階法、三臺(tái)階法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法、臺(tái)階臨時(shí)仰拱法（單線）開(kāi)挖等，根據(jù)開(kāi)挖方法的不同，每一循環(huán)隧道開(kāi)挖的程序有所不同。全斷面開(kāi)挖是按隧道的設(shè)計(jì)輪廓一次開(kāi)挖完成，適用于本隧道Ⅱ級(jí)圍巖隧道施工；臺(tái)階法開(kāi)挖分為兩步，即上臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)后進(jìn)行下臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)，完成一個(gè)開(kāi)挖循環(huán)，適用于Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖隧道施工；三臺(tái)階法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法開(kāi)挖法將隧道一個(gè)斷面分為三個(gè)小的斷面進(jìn)行開(kāi)挖，以前后三個(gè)不同位置相互錯(cuò)開(kāi)同時(shí)開(kāi)挖，然后分部及時(shí)支護(hù)，形成支護(hù)整體，適用于本隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖隧道施工。

超前支護(hù)在上一循環(huán)上臺(tái)階鋼架施工結(jié)束后進(jìn)行，尾部與鋼架焊接牢固。超前支護(hù)鉆孔時(shí)，應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)前方圍巖破碎情況、空腔、溶洞、涌水等進(jìn)行判斷，作為超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的補(bǔ)充。

羊頭山隧道和下北山隧道交叉施工主要是采用全斷面法、臺(tái)階法、三臺(tái)階法帶I 型超前小導(dǎo)管。

3.1 超前小導(dǎo)管施工

漿液采用水泥單漿液，水灰比1∶1（重量比），施工時(shí)由試驗(yàn)室選定，使用不低于32.5 強(qiáng)度的水泥。

小導(dǎo)管施工采用Ф42 和Ф50 鋼管，在前部管壁按梅花形布置溢漿孔，孔徑為10mm，間距15cm，由風(fēng)槍打入，小導(dǎo)管間距0.3～0.5m，施工時(shí)鋼管尾部焊接在鋼架上，頂部做成尖錐狀，尾部長(zhǎng)度不小于30cm，作為止?jié){段。

3.2 全斷面法施工

全斷面法適用于II 級(jí)圍巖段，每循環(huán)進(jìn)尺2.1m，斷面一次性光爆，施工準(zhǔn)備→爆破設(shè)計(jì)→測(cè)量放線→鉆孔臺(tái)車就位→鉆眼→裝藥→爆破→通風(fēng)→圍巖初噴混凝土→出渣→開(kāi)挖斷面檢查及爆破效果評(píng)價(jià)→拱墻支護(hù)。

圖2 全斷面法施工工序圖

3.3 臺(tái)階法施工

3.3.1 施工程序

施工準(zhǔn)備→上臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)→下臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)→仰拱開(kāi)挖支護(hù)。

3.3.2 施工工序：圖3 臺(tái)階法斷面施工工序圖

圖3 單洞雙線臺(tái)階法斷面施工工序圖

①開(kāi)挖上部臺(tái)階，施作上部洞身部位的初期支護(hù)。②上臺(tái)階施工至適當(dāng)距離后，下部臺(tái)階，施作洞身部位的初期支護(hù)。③帶仰拱斷面開(kāi)挖仰拱部位臺(tái)階，灌注仰拱。

3.4 三臺(tái)階法

3.4.1 施工程序

施工準(zhǔn)備→上臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)→中臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)→下臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)→仰拱開(kāi)挖支護(hù)

3.4.2 施工工序：圖4 三臺(tái)階法斷面施工工序圖

圖4 三臺(tái)階法斷面施工工序圖

①開(kāi)挖上部臺(tái)階，施作上部洞身結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)，即初噴4cm 厚混凝土，架立鋼架；鉆設(shè)系統(tǒng)錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。②上臺(tái)階施工至適當(dāng)距離后，開(kāi)挖中部臺(tái)階，接長(zhǎng)鋼架，施作洞身結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)。③開(kāi)挖下部臺(tái)階，及時(shí)封閉初期支護(hù)。④灌筑該段內(nèi)仰拱。⑤灌筑該段內(nèi)隧底填充。

3.4.3 施工注意事項(xiàng)

①隧道施工應(yīng)堅(jiān)持“弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的原則。②如有超前支護(hù)等輔助施工措施，應(yīng)首先利用上一循環(huán)架立的鋼架施作完畢，再開(kāi)挖。③開(kāi)挖方式均采用弱爆破。爆破時(shí)嚴(yán)格控制炮眼深度及裝藥量。④鎖腳鋼管應(yīng)及時(shí)設(shè)置，且必須對(duì)鎖腳鋼管進(jìn)行注漿，以確保鋼架基礎(chǔ)穩(wěn)定。⑤各步臺(tái)階一次開(kāi)挖長(zhǎng)度宜在2～3m 之間。下部臺(tái)階開(kāi)挖后仰拱應(yīng)緊跟。⑥本隧道III、Ⅳ級(jí)圍巖每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺為2m，II 級(jí)圍巖每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺為3m，仰拱開(kāi)挖前必須完成鋼架鎖腳錨桿，及時(shí)施作并封閉成環(huán)，封閉位置距離掌子面不得大于35m。⑦上臺(tái)階開(kāi)挖進(jìn)尺5m 左右時(shí)，開(kāi)始中臺(tái)階開(kāi)挖，中臺(tái)階進(jìn)尺5～10m 后，開(kāi)始下臺(tái)階開(kāi)挖；中下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)馬口錯(cuò)開(kāi)兩個(gè)循環(huán)（2m）。初期支護(hù)封閉成環(huán)位置距掌子面約30m；仰拱及仰拱填充滯后封閉成環(huán)位置約10m；二襯滯后仰拱填充約35m。滿足安全步距要求。⑧上中臺(tái)階出渣時(shí)，挖掘機(jī)在中臺(tái)階展開(kāi)作業(yè)；下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，挖掘機(jī)在已完成仰拱填充或未開(kāi)挖下臺(tái)階展開(kāi)作業(yè)。

4 兩條隧道施工管控

2019 年8 月15 日，下北山2#隧道澆筑進(jìn)洞口首版二襯，此時(shí)羊頭山隧道掌子面位于S1DK1+963，滯后下北山2#隧道二襯約52m，滯后下北山2#隧道1 號(hào)導(dǎo)洞掌子面約225.2m。2019 年9 月19 日，此時(shí)羊頭山隧道掌子面位于S1DK2+015，位于下北山2#隧道進(jìn)口，即下北山2#隧道首版二襯處，滯后下北山2#隧道二襯約48m。2019年11 月15 日，此時(shí)羊頭山隧道掌子面位于S1DK2+133，此時(shí)圍巖等級(jí)為II 級(jí)，超過(guò)下北山2#隧道二襯。2020 年1 月3 日，此時(shí)羊頭山隧道掌子面位于S1DK2+226，滯后下北山2#隧道1 號(hào)導(dǎo)洞約218m，此時(shí)下北山2#隧道1號(hào)導(dǎo)洞已經(jīng)貫通。2020 年5 月13 日，羊頭山隧道左洞掌子面位于S1DK2+444，超過(guò)下北山2#隧道出口。2020 年7月17 日，羊頭山隧道右洞掌子面位于S1DK2+444，超過(guò)下北山2#隧道出口。通過(guò)實(shí)際施工情況分析，下北山隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，每個(gè)導(dǎo)洞進(jìn)尺不一樣，單個(gè)隧道的工作面接近10 處；羊頭山隧道進(jìn)洞比下北山隧道遲4 個(gè)月，且后期進(jìn)度較慢，因此未能按照最初預(yù)定的總體實(shí)施方案進(jìn)行施工，兩隧道掌子面在30m 之間的施工協(xié)調(diào)管理是重點(diǎn)，對(duì)兩個(gè)隧道的安全尤為重要，同時(shí)必須考慮到爆破對(duì)二襯結(jié)構(gòu)的影響。

①當(dāng)兩條隧道間距小于30m，建立聯(lián)絡(luò)機(jī)制，爆破開(kāi)挖時(shí)間必須錯(cuò)開(kāi)。提前一天大概確定第二天起爆時(shí)間通知對(duì)方，然后開(kāi)始裝藥時(shí)再通知一次，準(zhǔn)備起爆前再通知一下，確保另外一個(gè)隧道里人員全部清走后再起爆。②開(kāi)挖采用光面爆破技術(shù)，不應(yīng)欠挖，盡量減少超挖，其開(kāi)挖半徑的平均徑向超挖值，平洞不應(yīng)大于15cm。爆破進(jìn)尺根據(jù)圍巖條件確定，控制炮眼裝藥量和質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度，以最大限度保護(hù)周邊巖體的完整性，控制超欠挖。對(duì)于洞口段、軟弱圍巖及不良地質(zhì)地段，應(yīng)遵循“少擾動(dòng)，快加固，勤量測(cè)，早封閉”的原則，有效控制圍巖變形，保證隧道結(jié)構(gòu)安全，當(dāng)發(fā)現(xiàn)圍巖變形不收斂或其它異常情況時(shí)需采取加強(qiáng)措施。③爆破震速控制，通過(guò)優(yōu)化裝藥量及爆破工藝，羊頭山隧道的爆破振速控制在每秒2cm，下北山隧道爆破振速控制在每秒2.5cm。④因?yàn)橄卤鄙剿淼蓝r施工在前，羊頭山隧道掌子面一開(kāi)始在后，并最終超過(guò)下北山隧道二襯，考慮到羊頭山隧道爆破施工對(duì)下北山隧道二襯結(jié)構(gòu)的影響，一是在II 級(jí)圍巖的里程段進(jìn)行超越，控制圍巖變形；二是堅(jiān)持短進(jìn)尺，減少一次爆破用量；三是及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，不能暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。⑤加密隧道監(jiān)控量測(cè)，對(duì)相關(guān)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一天兩測(cè)。隧道施工過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)預(yù)警的情況發(fā)生，總體施工安全可控。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上可知，羊頭山隧道與下北山隧道并行施工，施工過(guò)程中因進(jìn)度原因未能按照既定的先下后上以及下北山隧道的二襯滯后于羊頭山隧道掌子面的施工順序，而是存在一年左右的交叉施工。通過(guò)采取一系列施工措施，確保了施工安全及隧道結(jié)構(gòu)的安全，對(duì)后續(xù)類似工程建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。